机器人的驱动系统PPT课件
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机器人的驱动系统
+ 包括电液步进马达和油缸 + 电液脉冲马达：由步进电机或小功率伺服电机和液
压伺服机构（即扭矩放大器）所组成。由电机接收 数字控制装置发出的脉冲信号，把它转换或角位移。 经液压随动阀和油马达组成的伺服机构做功率放大 后，驱动机床工作台或刀架，使之进行精确定或作 进给运动。电液脉冲马达运动特性与数字电脉冲特 性对应，即：电脉冲数量对应马达角位移量，电脉 冲频率对应角速度量，具有角位移准确、反应迅速、 调整范围广等优点。是当前数控系统中特别是开环 系统中比较理想的伺服元件。电液脉冲马达广泛应 用在自动控制、同步控制和各种数控机床上。
+ 液压缸工作原理液压传动原理-以油液作为
工作介质,通过密封容积的变化来传递运动, 通过油液内部的压力来传递动力
+ 气缸：引导活塞在缸内进行直线往复运动
的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中 通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压 缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。 + 气动马达：气动马达也称为风动马达，是 指将压缩空气的压力能转换为旋转的机械 能的装置。
驱动：用来使机器人发出动作的 动力机构。驱动器能将一些电能、 液压能和气压能转化为机器人的 动力。
+ 包括直流伺服电机、步进电机和交流伺服
电机
+ 控制伺服电机可使速度，位置精度非常准确，
可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制 对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并 能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元 件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动 电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动 机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交 流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号 电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增下都会产生一定程度
第四章__机器人动力学ppt课件
pdii1npzii1opzji1apzk
pi 0i0j0k
§ 4.2 机械手动力学方程
n
Dij Tra(TcpepjIppiTpT) pmai,xj
n
mp piTkppjpdi•pdjprp(pdipjpdjpj)
pmai,xj
其中 kp
kkp2p2xxxy
kp2xz
kp2xy k2
pyy
力矩T1和T2的动力学表达式的一般形式和矩阵表达式为： T 1 D 1 1 1 D 1 2 D 1 1 1 2 1 D 1 2 2 2 2 D 1 1 1 2 2 D 1 2 2 1 1 D 1 （4.1-8) T 2 D 2 1 1 D 2 2 D 2 1 1 2 1 D 2 2 2 2 2 D 2 1 1 2 2 D 2 2 2 1 1 D 2 （4.1-9)
n
D i i m pp i 2 T x k p 2 x p i 2 x T y k p 2 y p i 2 y T z k p 2 zp d z i • p d i 2 p r p • ( p d i p i)
p m i ,jax
如果为旋转关节
n
D i i m p n 2 p T k p 2 x o x 2 p T k x p 2 y a y 2 p T k y p 2 z z p p • z p p 2 p r p • ( p p • n p ) i ( p p • o p ) j ( p p • a p ) k
惯量项和重力项在机器人的控制中特别重要，它们影响到系统的稳定性 和定位精度。向心力和哥氏力仅当机器人高速运动时才有意义。
§ 4.2 机械手动力学方程
4.2.2 动力学方程的简化
1 惯量项Dij的简化
机器人ppt课件
算法与模型
控制算法
机器学习与深度学习模型
用于实现机器人的运动控制，如PID 控制、模糊控制等。
用于提高机器人智能水平，如物体分 类、语义分割等。
感知算法
处理机器人感知数据，如目标检测、 跟踪、辨认等。
05
机器人的未来发展
技术发展趋势
人工智能技术
随着机器学习、深度学习等人工 智能技术的不断发展，机器人将 具备更高级的认知和决策能力， 实现更精准、高效的任务执行。
技术伦理
随着机器人具备更高级的认知能力，技术伦理问题逐渐凸显，需要 关注人权、道德和责任等方面的问题。
06
机器人案例分析
家用服务机器人
家庭清洁机器人
负责家庭地面清洁工作，具备自主导航、避障和 智能控制功能，提高家庭清洁效率。
智能音箱
作为智能家居的控制中心，提供语音助手服务， 实现家电控制、信息查询和娱乐等功能。
交互技术
交互技术
使机器人能够与人或其他智能体进行交流和 互动。
自然语言处理
让机器人能够理解人类自然语言文本指令， 进行文本分析和语义理解。
语音辨认与合成
让机器人能够辨认和理解人类语音指令，并 生成语音反馈。
人机交互
通过触摸屏、手势辨认等技术，实现人机交 互，提高机器人的易用性和用户体验。
03
机器人的硬件结构
机器人ppt课件
汇报人：
xx年xx月xx日
• 机器人概述 • 机器人的关键技术 • 机器人的硬件结构 • 机器人的软件系统 • 机器人的未来发展 • 机器人案例分析
目录
01
机器人概述
机器人的定义与分类
定义
机器人是一种能够自动执行任务 的机器系统，具有感知、思考、 动作三个基本要素。
机器人的驱动系统(1)
（1）带减速器的电机驱动 目前大部分机器人的关节是间接驱动。 中小型机器人一般采用普通的直流伺服电机、交流伺服电机或步
进电机作为机器人的执行电机，由于电机速度较高，所以需配以 大速比减速装置 ；通常其电机的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以 必须使用带减速器的电机驱动。 但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振 动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸。 由于手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器人关节上安装 减速器会使手臂根部关节驱动器的负荷增大
一、驱动方式
2. 关节直接驱动方式
日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的 DD机器人．美国Adept公司研制出带有视觉功能的 四自由度平面关节型DD机器人．
日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD一 600V机器人．其性能指标为：最大工作范围1.2 m， 可搬重量5 kg，最大运动速度8.2m／s，重复定位 精度0.05 mm
一、驱动方式
（2）远距离驱动 远距离驱动将驱动器与关节分离，目的在于减少关节的
体积、减轻关节重量。 一般来说，驱动器的输出力矩都远远小于驱动关节所需
要的力，因此也需要透过减速机来增大驱动力。 远距离驱动的优点在于 能够将多自由度机器人关节驱动所必需的多个驱动器设
置在合适的场所。 由于机器人手臂都采用悬臂梁结构，远距离驱动是减轻
位于手臂根部关节的驱动器负载的一种措施。
二、驱动元件
机器人关节的驱动元件有： （1）液压元件 （2）气动元件 （3）电动元件
二、驱动元件
1.液压驱动
机器人的驱动系统采用液压驱动， 有以下几个优点：
1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～ 63kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩；
进电机作为机器人的执行电机，由于电机速度较高，所以需配以 大速比减速装置 ；通常其电机的输出力矩大大小于驱动关节所需要的力矩，所以 必须使用带减速器的电机驱动。 但是，间接驱动带来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振 动，影响机器人系统的可靠性，并且增加关节重量和尺寸。 由于手臂通常采用悬臂梁结构，所以多自由度机器人关节上安装 减速器会使手臂根部关节驱动器的负荷增大
一、驱动方式
2. 关节直接驱动方式
日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的 DD机器人．美国Adept公司研制出带有视觉功能的 四自由度平面关节型DD机器人．
日本大日机工公司研制成功了五自由度关节型DD一 600V机器人．其性能指标为：最大工作范围1.2 m， 可搬重量5 kg，最大运动速度8.2m／s，重复定位 精度0.05 mm
一、驱动方式
（2）远距离驱动 远距离驱动将驱动器与关节分离，目的在于减少关节的
体积、减轻关节重量。 一般来说，驱动器的输出力矩都远远小于驱动关节所需
要的力，因此也需要透过减速机来增大驱动力。 远距离驱动的优点在于 能够将多自由度机器人关节驱动所必需的多个驱动器设
置在合适的场所。 由于机器人手臂都采用悬臂梁结构，远距离驱动是减轻
位于手臂根部关节的驱动器负载的一种措施。
二、驱动元件
机器人关节的驱动元件有： （1）液压元件 （2）气动元件 （3）电动元件
二、驱动元件
1.液压驱动
机器人的驱动系统采用液压驱动， 有以下几个优点：
1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～ 63kg/cm2),体积较小，可以获得较大的推力或转矩；
机器人ppt课件
执行部分
机械结构
执行部分是机器人的机械结构，包括关节、轮子、爪子等，用于实现机器人的 移动、抓取等动作。
驱动器
驱动器是一种能够将电信号转化为机械动作的装置，它根据控制信号驱动机械 结构运动，实现机器人的各种动作。
人工智能部分
机器学习算法
人工智能部分包括多种机器学习算法，如深度学习、神经网 络等，用于让机器人能够自主地学习和适应环境变化。
数据处理
传感器采集的数据需要通过算法 进行处理，以识别、解析和利用 这些数据，为机器人的行为提供 指导。
控制部分
控制器
控制部分的核心是控制器，它负责接 收从感知部分获取的信息，并根据预 设的程序或算法，对信息进行处理并 输出控制信号。
执行器
控制部分的执行器负责接收控制信号 ，并将其转化为机械动作或电信号， 以驱动机器人的运动。
01
02
03
04
工业领域
生产线自动化、质量检测、仓 储管理等。
医疗领域
手术辅助、康复训练、护理等 。
服务领域
智能客服、家庭服务、教育等 。
军事领域
侦查、排爆、战斗等。
02
机器人的基本组成
感知部分
传感器
机器人的感知部分包括多种传感 器，如视觉传感器、距离传感器 、速度传感器等，用于感知周围 环境，获取信息。
案例二：Nest公司的智能温控器
总结词
智能家居领域的代表产品，能够学习用户的行为模式并自动调整温度。
详细描述
Nest公司的智能温控器是智能家居领域的代表产品。这个设备能够学习用户的行 为模式，自动调整温度，以实现舒适的室内环境。它还可以通过智能手机应用程 序远程控制温度，并提供能源使用数据，帮助用户节省能源。
工业机器人的组成ppt课件
部运动。
腰部：立柱，是 支撑手臂的部件，
其作用是带动臂 7
二、机械部分 2. 驱动—传动装置
工业机器人的驱动系统包括驱动器和传动 机构两部分，它们通常与执行机构连成机 器人驱本动体系统。
驱动器 传动机构
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二、机械部分
2. 驱动—传动装置 工业机器人
驱动器通常有：
➢ 电机驱动：直流伺服电机、 步进电机、交流伺服电机。
传动机构常用的有：谐波减速器、滚珠丝 杆、链、带以及各种齿轮系。
传动机构 谐波传动 螺旋传动 链传动 带传动 齿轮传动
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二、机械部分 2. 驱动—传动装置
- 由谐波发生器（椭圆形凸轮 及薄壁轴承）、柔轮（在柔 性材料上切制齿形）以及与 它们啮合的钢轮构成的传动 机构
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三、控制部分 1. 人机交互系统
驱动器
➢ 液压驱动； ➢ 气动驱动。
各种电、液、气装置
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驱动器
直动 气缸
气动
气动 马达
气爪
液压
液压 液压 马达 缸
直流 伺服 电动 机
电动
交流 伺服 电动 机
步进 电动 机
电液 气综 合驱 动
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直流伺服电机与驱动放大器
交流伺服电机
驱动放大器
直流无刷电机
步进电机
直驱电机
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二、机械部分 2. 驱动—传动装置
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四、传感部分 2. 机器人-环境交互系统
机器人-环境交互系统实现工业机器人与 外部环境中的设备相互联系和协调的系统。
工业机器人与外部设备集成为一个功能单元, 如加工制造单元、多台机器人、多台机床或 设备、多个零件存储装置等集成为一个去执 行 复杂任务的功能单元。
第4章工业机器人动力系统
1.直流有刷伺服电机
直流无刷伺服电机的特点：转动惯量小、启动电压低、空载 电流小 弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高 达100 000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码 器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；容易实现智能化， 其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相；不存在 电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无 电磁干扰等特点。
工业机器人丝杠螺母传动的手臂升降机构
第四章 工业机器人动力系统
4.1.2 工业机器人的动力系统的组成
2.工业机器人传动机构的组成
（3）带传动和链传动
带传动和链传动用于 传递平行轴之间的回 转运动，或把回转运 动转换成直线运动。 工业机器人中的带传 动和链传动分别通过 带轮或链轮传递回转 运动
工业机器人技术基础
第四章 工业机器人动力系统
工业机器人技术基础
4.2交流伺服动力系统 4.2.2交流伺服电动机的类型
2.永磁同步交流伺服电机
永磁同步伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成。在 转子上装有特殊形状高性能的永磁体，用以产生恒定磁场 ，无需励磁绕组和励磁电流。
永磁同步电机结构图
第四章 工业机器人动力系统
1.功率驱动单元
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或 者市电进行整流，得到相应的直流电。
三相逆变电路
第四章 工业机器人动力系统
工业机器人技术基础
4.2交流伺服动力系统 4.2.4交流永磁同步伺服驱动器
2. 控制单元
控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速 度控制、转矩和电流控制器。
第四章 工业机器人动力系统
4.2交流伺服动力系统 4.2.1 交流伺服系统的分类 3.闭环伺服系统
直流无刷伺服电机的特点：转动惯量小、启动电压低、空载 电流小 弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高 达100 000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码 器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；容易实现智能化， 其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相；不存在 电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无 电磁干扰等特点。
工业机器人丝杠螺母传动的手臂升降机构
第四章 工业机器人动力系统
4.1.2 工业机器人的动力系统的组成
2.工业机器人传动机构的组成
（3）带传动和链传动
带传动和链传动用于 传递平行轴之间的回 转运动，或把回转运 动转换成直线运动。 工业机器人中的带传 动和链传动分别通过 带轮或链轮传递回转 运动
工业机器人技术基础
第四章 工业机器人动力系统
工业机器人技术基础
4.2交流伺服动力系统 4.2.2交流伺服电动机的类型
2.永磁同步交流伺服电机
永磁同步伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成。在 转子上装有特殊形状高性能的永磁体，用以产生恒定磁场 ，无需励磁绕组和励磁电流。
永磁同步电机结构图
第四章 工业机器人动力系统
1.功率驱动单元
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或 者市电进行整流，得到相应的直流电。
三相逆变电路
第四章 工业机器人动力系统
工业机器人技术基础
4.2交流伺服动力系统 4.2.4交流永磁同步伺服驱动器
2. 控制单元
控制单元是整个交流伺服系统的核心,实现系统位置控制、速 度控制、转矩和电流控制器。
第四章 工业机器人动力系统
4.2交流伺服动力系统 4.2.1 交流伺服系统的分类 3.闭环伺服系统
第5章5.2机器人气压驱动系统
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
1 压缩空气站的设备组成
❖压缩空气站的设备一般包括产生压缩空气的空气 压缩机和使气源洚化的辅助设备。图5.16是压缩空 气站设各组成及布置示意图。
1-空压机 2-后冷却器 3-油水分离器 4，7-储气罐 5-干燥器 6-过滤器
图5.16 压缩空气站设备组成及布置示意图
b)第二阶段
c)第三阶段
图5.28 冲击式缸工作原理图
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
2 气动马达
❖气动马达也是气动执行元件的一种，它的作用相 当于电动机或液压马迭，即输出转矩，拖动机构作 旋转运动，气动马达是以压缩空气为工作介质的原 动机。如图5.29所示。
图5.29 气动马达
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第5章 机器人驱动系统
(2)单向节流阀
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式 流量控制阀，如图5.22所示。
图5.22单向节流阀的工作原理图
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第5章 机器人驱动系统
2020/2/27
(3)排气节流阀
排气节流阀是装在执行元件的排气口处，确节进入 大气中气体流量的一种控制阀，它不仅能调节执行 元件的运动速度，还常带有消声器件，所以也能起 降低排气噪声的作用。如图5.23所示，排气节流阀 工作原理图。
5
第5章 机器人驱动系统
空气压缩机按其压力大小分为 ➢低压（0.2～1.0MPa） ➢中压（1.0～10MPa） ➢高压（＞10MPa）
2020/2/27
按工作原理为 ❖容积式（通过缩小单位质量气体体积的方法获得 压力） ❖速度式（通过提高单位质量气体的速度并使动能 转化为压力能来获得压力）
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学习要求
学习完本模块的内容后，学生应能够了解机 器人的驱动方式，掌握不同类型机器人驱动元件 的性能与特点，能够熟练地分析机器人的驱动机 构和驱动方式；掌握机器人的液压驱动系统的组 成，熟悉液压驱动系统主要设备的工作机理；能 够分析液压驱动系统的流程，能够找出液压驱动 系统的故障环节。掌握机器人的气压驱动系统的 组成，熟悉气压驱动系统主要设备的工作机理； 能够分析气压驱动系统的流程，能够找出气压驱 动系统的故障环节。了解伺服系统与伺服电动机 的要点，掌握直流电动机与直流伺服电动机的结 构原理，掌握步进电动机的结构原理。
一、驱动方式
2)远距离驱动方式
二、驱动元件
驱动元件是执行装置，就是按照信号的指 令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量 转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的 装置。按照利用的能源来分，驱动元件主要分 为电动执行装置、液压执行装置和气压执行装 置。因此，机器人关节的驱动元件有液压驱动 元件、气压驱动元件和电动机驱动元件。
一、驱动方式
2）轴承
机器人中轴承起着相当重要的作用，用于转动关节的轴承有多 种形式，球轴承是机器人结构中最常用的轴承。球轴承能承受径向 和轴向载荷，摩擦较小，对轴和轴承座的刚度不敏感。图4-2（a） 所示为普通向心球轴承，图4-2（b）所示为向心推力球轴承。这两 种轴承的每个球和滚道之间只有两点接触（一点与内滚道，另一点 与外滚道）。为实现预载，此种轴承必须成对使用。图4-2（c）所 示为四点接触球轴承。该轴承的滚道是尖拱式半圆，球与每个滚道 两点接触，该轴承通过两内滚道之间适当的过盈量实现预紧。因此， 四点接触球轴承的优点是无间隙，能承受双向轴向载荷，尺寸小， 承载能力和刚度比同样大小的一般球轴承高1.5倍；缺点是价格较高。
一、驱动方式
使用这样的直接驱动方式的机器人通常称为DD机器人 (direct drive robot，DDR)。DD机器人驱动电动机通过机 械接口直接与关节连接，驱动电动机和关节之间没有速度和 转矩的转换。
日本、美国等工业发达国家已经开发出性能优异的DD 机器人。美国Adept公司研制出带有视觉功能的四自由度平 面关节型DD机器人。日本大日机工公司研制成功了五自由 度关节型DD 600V机器人，其性能指标为：最大工作范围 为1.2 m，可搬重量为5 kg，最大运动速度为8.2 m/s，重 复定位精度为0.05 mm。
工业机器人应用技术
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模块四 机器人的驱动系统
1 机器人驱动系统概述 2 机器人驱动系统比较 3 机器人液压驱动系统 4 机器人气压驱动系统 4 机器人电气驱动系统
单元提要
本模块主要介绍机器人的驱 动系统，内容包括机器人的直接 驱动方式与间接驱动方式，液压、 气压、电动驱动的元件与特点， 液压驱动系统的组成与工作原理， 液压驱动系统的主要设备；气压 驱动系统的组成与工作原理，气 压驱动系统的主要设备；直流电 动机与直流伺服电动机的结构原 理与参数，步进电动机的结构原 理。
一、驱动方式
图4-2 基本耐磨球轴承
一、驱动方式
直接驱动方式是指驱动器的输出轴和机器人手 臂的关节轴直接相连的方式。直接驱动方式的驱动 器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦 等非线性因素的影响，控制性能比较好。然而，为 了直接驱动手臂的关节，驱动器的输出转矩必须很 大。此外，由于不能忽略动力学对手臂运动的影响， 控制系统还必须考虑到手臂的动力学问题。
一、驱动方式
图4-1 转动关节的形式
一、驱动方式
①驱动机构与回转轴同轴式。驱动机构与回转轴同 轴式的驱动机构直接驱动回转轴，有较高的定位精度。但 是，为减轻重量，要选择小型减速器并增加臂部的刚性。 它适用于水平多关节型机器人。
②驱动机构与回转轴正交式。重量大的减速机构安 放在基座上，通过臂部的齿轮、链条传递运动。这种形式 适用于要求臂部结构紧凑的场合。
一、驱动方式
一、驱动方式
3. 间接驱动方式
间接驱动方式是把驱动器的动力经过 减速器、钢丝绳、传送带或平行连杆等装 置后传递给关节。间接驱动方式包含带减 速器的电动机驱动和远距离驱动两种。目 前大部分机器人的关节是间接驱动。
一、驱动方式
1)带减速器的电动机驱动
中小型机器人一般采用普通的直流伺服电动机、交流 伺服电动机或步进电动机作为机器人的执行电动机，由于 电动机速度较高，输出转矩又大于驱动关节所需要的转矩， 所以必须使用带减速器的电动机驱动。但是，间接驱动带 来了机械传动中不可避免的误差，引起冲击振动，影响机 器人系统的可靠性，并增加关节重量和尺寸。由于手臂通 常采用悬臂梁结构，因而多自由度机器人关节上安装减速 器会使手臂根部关节驱动器的负载增大。
学习单元一 机器人的驱动系统
一、驱动方式
1. 关节与轴承
1）关节
机器人中连接运动部分的机构称为关节。关节有转 动型和移动型，分别称为转动关节和移动关节。
（1)转动关节。 转动关节就是在机器人中简称为关节，是机器人的 连接部分，它既连接各机构，又传递各机构间的回转运动 （摆动），用于基座与臂部、臂部与臂部、臂部与手部等 连接部位。关节由回转轴、轴承和驱动机构组成。
一、驱动方式
高输出转矩的驱动器有油缸 式液压装置和力矩电动机等，其 中液压装置在结构和摩擦等方面 的非线性因素很强，所以很难体 现出直接驱动的优点。因此，在 20世纪80年代所开发的力矩电动 机采用了非线性的轴承机械系统， 得到了优良的逆向驱动能力（以 关节一侧带动驱动器的输出轴）。
图4-3 使用力矩电动机的直 接驱动方式的关节机构实例
一、驱动方式
③外部驱动机构驱动臂部的形式。外部驱动机构驱 动臂部的形式适合于传递大转矩的回转运动，采用的传 动机构有滚珠丝杠、液压缸和气缸。
④驱动电动机安装在关节内部的形式。驱动电动机 安装在关节内部的形式称为直接驱动形式。
一、驱动方式
一、驱动方式
①滚动导轨按滚动体分为球、圆柱滚子和滚针。 ②滚动导轨按轨道分为圆轴式、平面式和滚道式。 ③滚动导轨按滚动体是否循环分为循环式和非循环式。 这些滚动导轨各有特点，装有滚珠的滚动导轨适用于 中小载荷和小摩擦的场合，装有滚柱的滚动导轨适用于重 载和高刚性的场合。受轻载滚柱的特性接近于线性弹簧， 呈硬弹簧特性；滚珠的特性接近于非线性弹簧，刚性要求 高时应施加一定的预紧力。